CN107817669B - 一种基于pb相位实现全空间可视范围全息像的平面全息图设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于PB相位实现全空间可视范围全息像的平面全息图设计方法，所用示例结构包括一层玻璃基底及金属矩形孔结构。本发明通过引入亚波长结构并对入射平面波相位进行人为调控，由于使用PB相位的方式来达到相位调控的目的，故设计的超表面器件具备宽工作波段的效果。我们使用红、绿、蓝三原色的激光从不同角度照明全息图，在反射场与透射场红绿蓝三原色激光分别重合实现不同图形的彩色全息显示。该种实现彩色全息图的方式相对于目前一般超表面全息方式而言，能够得到全空间的可视范围，提升了全息图的视场角达到一倍以上。
Description
技术领域
本发明涉及光场调控领域，特别涉及一种基于PB相位实现全空间可视范围全息像的平面全息图设计方法。
背景技术
全息技术能够记录并再现物体的相位及振幅信息，是一种理想的虚拟显示技术。传统全息技术需要实际的干涉光路来获得目标物体的全息图，曝光、显影过程复杂，且难于实现现实中不存在物体的全息图，受到了很大的应用限制。计算全息技术的提出很好地解决了上述问题，可以方便地与多种加工设备对接，大大推动了全息技术的发展。但是实际所获计算全息图性质受到编码材料的限制，常用的编码材料(例如空间光调制器，数字微反镜等)由于像素尺寸太大，造成全息成像视场角受限，给全息像的实际观察带来了很大的不方便。
近年来，通过使用亚波长结构的人工材料，实现了很多传统材料难于实现的新颖的效果，例如：超分辨成像，电磁隐身，轨道角动量产生器，全息成像等等。随着加工技术的进步，深度亚波长结构加工成为可能，但是深度亚波长结构带来了频谱信息到达了倏逝波区域。倏逝波区域的信息并不能在自由空间中传播。研究者们常常使用频谱信息在传输波区域的信息来编码目标像，造成了信息容量的浪费。此外，由于人们常常满足于单一透射场或者反射场的调控，只能做到透射空间或者反射空间的任意位置观察效果，这样难以做到全息空间可视的全息成像。
发明内容
为了解决以上问题，本发明提出了一种基于PB相位实现全空间可视范围全息像的平面全息图设计方法。对于PB相位的分析我们知道，如果入射光偏振态发生变化，例如左旋圆偏振光变成右旋圆偏振光，则相位调控发生相位反转。结合全息相位反转后的效果与离轴入射带来的频谱移动方向，可以实现反透射的独立光场调控，实现全空间可视的全息成像。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：一种基于PB相位实现全空间可视范围全息像的平面全息图设计方法，使用红绿蓝三原色激光从不同方向入射全息图，透射及反射的红绿蓝三原色激光混合形成不同的彩色全息成像，PB相位示例结构包括至下而上依次排列的透明介质基底以及金属矩形孔表面结构。
其中，所述红绿蓝三色激光入射角度分别为(θ1x,θ1y,θ1z),(θ2x,θ2y,θ2z),(θ3x,θ3y,θ3z)。其中各个角度取值范围为0≤θ1x≤90,0≤θ1y≤90,-90≤θ1z≤90；0≤θ2x≤90,0≤θ2y≤90,-90≤θ2z≤90；0≤θ3x≤90,0≤θ3y≤90,-90≤θ3z≤90。
其中，所述介质基底的厚度h，其取值无固定要求，以满足支撑整个样品力学要求即可。
其中，所述金属层的厚度d，其取值为d＝75nm。
其中，所述金属矩形孔的长度L和宽度W，其长度取值为L＝360nm，宽度取值W＝120nm。
其中，所述金属矩形孔能在x-y平面旋转。旋转角度为其旋转角度的取值范围为 度。
其中，所述金属矩形孔周期为P，其取值为P＝500nm。
本发明具有的有益效果在于：通过引入亚波长结构并对入射平面波相位进行人为调控，由于使用PB相位的方式来达到相位调控的目的，故设计的超表面器件具备宽工作波段的效果。我们使用红、绿、蓝三原色的激光从不同角度照明全息图，在反射场与透射场分别重合实现不同图形的彩色全息显示。该种实现彩色全息图的方式相对于目前一般超表面全息方式而言，能够得到全空间的可视范围，提升了全息图的视场角达到一倍以上。
附图说明
图1为本发明的反透射独立调控成像示意图及实施例PB相位调控所用的单元结构示意图；
图2为本发明的右旋圆偏振电磁波入射受到结构作用后反射左旋圆偏振电磁波相位及振幅调控曲线图(反射相位及振幅调控均为极化转化电磁波部分)；
图3为本发明的左旋圆偏振电磁波入射受到结构作用后透射右旋圆偏振电磁波相位及振幅调控曲线图(透射相位及振幅调控均为极化转化电磁波部分)。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细说明，但本发明的保护范围并不仅限于下面实施例，应包括权利要求书中的全部内容。而且本领域技术人员从以下的一个实施例即可实现权利要求中的全部内容。
具体实现过程如下：
如图1所示，红、绿、蓝三原色的激光从不同角度((θ1x＝24.2878,θ1y＝24.2878),(θ2x＝20.2306,θ2y＝0),(θ3x＝17.9056,θ3y＝-18.3333))入射到超表面样品结构上，反射跟透射区域呈现不同的全息成像。所用单元结构为亚波长的纳米矩形孔，从图1中的插图可以知道单元结构构造，包括至下而上依次排列的透明介质基底以及金属矩形孔表面结构。介质基底的厚度h；金属层的厚度d；金属矩形孔的长度L、宽度W、周期为P；金属矩形孔能在x-y平面旋转，其旋转角度为
当左旋圆偏振光入射到所述单元结构时，其相位调控为我们使用GS算法计算得到目标成像I(fx,fy)的纯相位全息图并利用上述左旋圆偏振光入射时的相位调控关系来编码相位全息图，令入射平面波振幅为A0，则：
其中(x0,y0)为全息图的坐标，(fx,fy)为对应的频谱坐标，F代表傅里叶变换。由PB相位调控的性质我们知道，若我们使用右旋圆偏振光照明所编码得到的全息图，由于透射极化转化的相位调控关系为即相位正好发生了正负对换，其对应的全息成像可以表述为：
即全息成像关于原点发生了180度的旋转。当我们使用倾斜入射时，频域的全息成像发生移动，其移动方向由入射方向决定，与左旋或右旋圆偏振态无关，即若入射光与x轴、y轴夹角分别为θx、θy，则左旋圆偏振光倾斜入射对应的全息成像为：
右旋圆偏振光倾斜入射对应的全息成像为：
由此可见，如果巧妙设计全息图并合理利用倾斜入射，可以使得左右旋入射光在同一个入射角度实现不一样的全息成像显示。
如图2，3所示，右旋圆偏振光入射受到结构作用反射后相位调控与右旋圆偏振光入射受到结构作用透射的相位调控正好相同，与左旋圆偏振光入射受到结构作用透射的相位调控正好相反，这与前面分析的左右旋圆偏振光入射受到结构作用透射相位调控情况一致，故我们可以使用所示的单元结构旋转产生的PB相位来实现反透射独立调控的效果，实现全空间观察范围的全息成像显示。振幅调控方面，我们在图2-3中标示了全息图473nm、532nm、632.8nm振幅大小，在三个波长处，存在较大的能量差距，在实际操作中，可以通过调节各个波长的激光器能量来实现三基色合理混合的全息成像。再者，在实验中我们使用线偏振来入射全息样品，在反射端与透射端分别滤出不同圆偏振态来实现独立互不干扰的全息成像。在操作过程中，明显反射与透射的R、G、B能量比值并不一样，这会造成在透射端和反射端不能同时实现三基色合理混合的彩色全息成像，即全息成像色彩会出现偏差。我们可以使用椭圆偏振光代替线偏振光入射全息图实现反射与透射对应入射光能量的独立调控，以实现反透射均合理的三基色彩色成像。例如532nm波长反射极化转化能量利用率小于透射极化转化的能量利用率，我们可以加大反射入射对应的右旋圆偏振光能量，减弱透射入射对应的左旋圆偏振光能量，并合理调节532nm波长激光总能量，用椭圆偏振光入射代替线偏振光入射，实现三基色合理混合的反透射彩色全息成像。
因此，上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权力要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。
Claims (1)
1.一种基于PB相位实现全空间可视范围全息像的平面全息图设计方法，其特征在于：使用红绿蓝三原色激光从不同方向入射全息图，透射及反射的红绿蓝三原色激光混合形成不同的彩色全息成像，PB相位示例结构包括至下而上依次排列的透明介质基底以及金属矩形孔表面结构；
所述红绿蓝三色激光入射角度分别为(θ1x,θ1y,θ1z),(θ2x,θ2y,θ2z),(θ3x,θ3y,θ3z)，其中各个角度取值范围为0≤θ1x≤90,0≤θ1y≤90,-90≤θ1z≤90；0≤θ2x≤90,0≤θ2y≤90,-90≤θ2z≤90；0≤θ3x≤90,0≤θ3y≤90,-90≤θ3z≤90；
所述介质基底的厚度h，其取值无固定要求，以满足支撑整个样品力学要求即可；
所述金属层的厚度d，其取值为d＝75nm；
所述金属矩形孔的长度L和宽度W，其长度取值为L＝360nm，宽度取值W＝120nm；
所述金属矩形孔能在x-y平面旋转。旋转角度为其旋转角度的取值范围为度；
所述金属矩形孔周期为P，其取值为P＝500nm。
通过引入亚波长结构并对入射平面波相位进行人为调控，由于使用PB相位的方式来达到相位调控的目的，故设计的超表面器件具备宽工作波段的效果；使用红、绿、蓝三原色的激光从不同角度照明全息图，在反射场与透射场分别重合实现不同图形的彩色全息显示，该种实现彩色全息图的方式相对于目前一般超表面全息方式而言，能够得到全空间的可视范围，提升了全息图的视场角达到一倍以上。
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